Fabricación de dispositivos de ondas acústicas de superficie en niobato de litio
Summary
Dos técnicas de fabricación, despegue y grabado húmedo, se describen en la producción de transductores de electrodos interdigitales sobre un sustrato piezoeléctrico, niobato de litio, ampliamente utilizado para generar ondas acústicas superficiales que ahora encuentran una amplia utilidad en fluidos micro a nanoescala. Los electrodos producidos se muestran para inducir eficientemente las ondas acústicas superficiales de Rayleigh de orden de megahercios.
Abstract
La manipulación de fluidos y partículas mediante accionamiento acústico a pequeña escala está ayudando al rápido crecimiento de las aplicaciones de laboratorio en un chip. Los dispositivos de onda acústica superficial (SAW) de orden Megahertz generan enormes aceleraciones en su superficie, hasta 108 m/s2,a su vez responsables de muchos de los efectos observados que han llegado a definir acquifluidos: transmisión acústica y fuerzas de radiación acústica. Estos efectos se han utilizado para el manejo de partículas, células y fluidos a microescala, e incluso a nanoescala. En este artículo demostramos explícitamente dos métodos principales de fabricación de dispositivos SAW en niobato de litio: los detalles de las técnicas de despegue y grabado húmedo se describen paso a paso. Los resultados representativos para el patrón de electrodos depositados en el sustrato, así como el rendimiento de SAW generado en la superficie se muestran en detalle. Los trucos de fabricación y la solución de problemas también están cubiertos. Este procedimiento ofrece un protocolo práctico para la fabricación e integración de dispositivos SAW de alta frecuencia para futuras aplicaciones de microfluidos.
Introduction
Basándose en el conocido efecto piezoeléctrico inverso, donde los dipolos atómicos crean cepa correspondiente a la aplicación de un campo eléctrico, los cristales piezoeléctricos como el niobato de litio LiNbO3 (LN), la tantalita de litio LiTaO3 (LT), se pueden utilizar como transductores electromecánicos para generar SAW para aplicaciones de microescala1,,2,,3,,4,,5,,6. Al permitir la generación de desplazamientos de hasta 1 nm a 10-1000 MHz, la vibración impulsada por SAW supera los obstáculos típicos del ultrasonido tradicional: aceleración pequeña, grandes longitudes de onda y gran tamaño del dispositivo. La investigación para manipular fluidos y partículas suspendidas se ha acelerado recientemente, con un gran número de revisiones recientes y accesibles7,8,9,10.
La fabricación de dispositivos microfluídicos integrados en SAW requiere la fabricación de los electrodos (el transductor interdigital (IDT)11—en el sustrato piezoeléctrico para generar el SAW. Los dedos en forma de peine crean compresión y tensión en el sustrato cuando se conectan a una entrada eléctrica alterna. La fabricación de dispositivos SAW se ha presentado en muchas publicaciones, ya sea utilizando fotolitografía ultravioleta de despegue junto con sputter de metal o procesos de grabado húmedo10. Sin embargo, la falta de conocimientos y habilidades en la fabricación de estos dispositivos es una barrera clave para la entrada en los acoustofluídicos por muchos grupos de investigación, incluso hoy en día. Para la técnica de despegue12,13,14, se crea una capa de sacrificio (fotorresista) con un patrón inverso en una superficie, de modo que cuando el material de destino (metal) se deposita en toda la oblea, puede llegar al sustrato en las regiones deseadas, seguido de un paso de “despegue” para eliminar el fotorresista restante. Por el contrario, en el proceso de grabado húmedo15,16,17,18, el metal primero se deposita en la oblea y luego fotorresista se crea con un patrón directo en el metal, para proteger la región deseada de “etching” lejos por un grabado de metal.
En un diseño más utilizado, el IDT recto, la longitud de onda de la frecuencia resonante del dispositivo SAW se define por la periodicidad de los pares de dedos, donde el ancho del dedo y el espaciado entre los dedos son 
/419. Con el fin de equilibrar la eficiencia de la transmisión de corriente eléctrica y el efecto de carga de masa en el sustrato, el espesor del metal depositado en el material piezoeléctrico está optimizado para ser aproximadamente el 1% de la longitud de onda SAW20. El calentamiento localizado a partir de pérdidas ohmicas21, potencialmente induciendo falla prematura de los dedos, puede ocurrir si se deposita metal insuficiente. Por otro lado, una película metálica excesivamente gruesa puede causar una reducción en la frecuencia resonante del IDT debido a un efecto de carga en masa y posiblemente puede crear cavidades acústicas no intencionales a partir de los DNT, aislando las ondas acústicas que generan a partir del sustrato circundante. Como resultado, los parámetros de exposición fotorresistencia y UV elegidos varían en la técnica de despegue, dependiendo de los diferentes diseños de dispositivos SAW, especialmente la frecuencia. Aquí, describimos en detalle el proceso de despegue para producir un dispositivo generador de SAW de 100 MHz en una oblea LN de corte pulido de doble cara de 0,5 mm de espesor y 128o de espesor, así como el proceso de grabado húmedo para fabricar el dispositivo de 100 MHz de diseño idéntico. Nuestro enfoque ofrece un sistema microfluídico que permite la investigación de una variedad de problemas físicos y aplicaciones biológicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los dispositivos SAW fabricados a partir de cualquiera de los dos métodos son capaces de generar ondas de desplazamiento útiles en la superficie, y estos métodos sustentan procesos más complejos para producir otros diseños. La frecuencia resonante suele ser un poco inferior al valor diseñado, debido al efecto de carga en masa del metal depositado en la parte superior. Sin embargo, todavía hay algunos puntos que vale la pena discutir para evitar problemas.
Método de despegue</st…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores están agradecidos a la Universidad de California y a las instalaciones de NANO3 en UC San Diego por la provisión de fondos e instalaciones en apoyo de este trabajo. Este trabajo se realizó en parte en la Infraestructura de Nanotecnología de San Diego (SDNI) de la UCSD, miembro de la Infraestructura Coordinada Nacional de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (Grant ECCS-1542148). El trabajo presentado aquí fue generosamente apoyado por una beca de investigación de la Fundación W.M. Keck. Los autores también agradecen el apoyo de este trabajo por parte de la Oficina de Investigación Naval (a través de Grant 12368098).
Materials
| Absorber | Dragon Skin, Smooth-On, Inc., Macungie, PA, USA | Dragon Skin 10 MEDIUM | |
| Amplifier | Mini-Circuits, Brooklyn, NY, USA | ZHL–1–2W–S+ | |
| Camera | Nikon, Minato, Tokyo, Japan | D5300 | |
| Chromium etchant | Transene Company, INC, Danvers, MA, USA | 1020 | |
| Developer | Futurrex, NJ, USA | RD6 | |
| Developer | EMD Performance Materials Corp., Philidaphia, PA, USA | AZ300MIF | |
| Dicing saw | Disco, Tokyo, Japan | Disco Automatic Dicing Saw 3220 | |
| Gold etchant | Transene Company, INC, Danvers, MA, USA | Type TFA | |
| Hole driller | Dremel, Mount Prospect, Illinois | Model #4000 | 4000 High Performance Variable Speed Rotary |
| Inverted microscope | Amscope, Irvine, CA, USA | IN480TC-FL-MF603 | |
| Laser Doppler vibrometer (LDV) | Polytec, Waldbronn, Germany | UHF-120 | 4” double-side polished 0.5 mm thick 128°Y-rotated cut lithium niobate |
| Lithium niobate substrate | PMOptics, Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | |
| Mask aligner | Heidelberg Instruments, Heidelberg, Germany | MLA150 | Fabrication process is performed in it. |
| Nano3 cleanroom facility | UCSD, La Jolla, CA, USA | ||
| Negative photoresist | Futurrex, NJ, USA | NR9-1500PY | |
| Oscilloscope | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | InfiniiVision 2000 X-Series | |
| Positive photoresist | AZ1512 | Denton Discovery 18 Sputter System | |
| Signal generator | NF Corporation, Yokohama, Japan | WF1967 multifunction generator | Wafer Dipper 4" |
| Sputter deposition | Denton Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | |
| Teflon wafer dipper | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 |
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